焊接成形技術(shù)(第二講)

1、1材料成形技術(shù)基礎(chǔ)材料成形技術(shù)基礎(chǔ)主講：魯中良主講：魯中良機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院2012年年10月月LOGO第二講 焊接熱過程以熔焊為例：以熔焊為例：1 1 焊接熱過程的局部焊接熱過程的局部集中性集中性2 2 焊接熱過程的焊接熱過程的瞬時性瞬時性3 3 焊接熱源的焊接熱源的移動性移動性 2.1 2.1 基本特點基本特點 溫度梯度大溫度梯度大 加熱速度快加熱速度快 非同時性非同時性 第二講 焊接熱過程LOGO2.2 2.2 焊接熱源和焊接熱效率焊接熱源和焊接熱效率焊接工藝方法焊接工藝方法 焊接所需能量焊接所需能量 熱能、機(jī)械能熱能、機(jī)械能 熱熱 源源 1 1 焊接熱源焊接熱源 互相促進(jìn)互相促進(jìn)

2、 第二講 焊接熱過程LOGO等離子焰等離子焰電阻熱電阻熱激光束激光束電弧熱電弧熱化學(xué)熱化學(xué)熱電子束電子束摩擦熱摩擦熱目前能滿足焊接目前能滿足焊接 條件的條件的熱源熱源有：有：第二講 焊接熱過程熱量高度集中熱量高度集中1快速實現(xiàn)焊接過程快速實現(xiàn)焊接過程2保證高質(zhì)量焊縫保證高質(zhì)量焊縫3最小的焊接熱影響區(qū)最小的焊接熱影響區(qū)HAZHAZ 4先進(jìn)的焊接熱源先進(jìn)的焊接熱源 Heat Affected Zone高質(zhì)量高質(zhì)量 高效率高效率 降低勞動強(qiáng)度降低勞動強(qiáng)度 降低能量消耗降低能量消耗 第二講 焊接熱過程LOGO 熱效率熱效率 = Q/QQ :Q :焊接熱源提供的熱量焊接熱源提供的熱量Q:Q:用于加熱焊件

3、的有效熱量用于加熱焊件的有效熱量 P = UI U: U: 焊接電壓焊接電壓 I: I: 焊接電流焊接電流2 2 焊接過程的熱效率焊接過程的熱效率 與焊接工藝方法有關(guān)與焊接工藝方法有關(guān) 真正用于加熱真正用于加熱焊件的有效功率焊件的有效功率 第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程LOGO電源種類電源種類 1焊接方法焊接方法 2被焊金屬被焊金屬3周圍環(huán)境周圍環(huán)境 等等 4 影響影響( )因素因素 第二講 焊接熱過程LOGO T T 工件上某一瞬時某點的溫度工件上某一瞬時某點的溫度 x,y,z x,y,z工件上某點的空間坐標(biāo)工件上某點的空間坐標(biāo) t t 時間時間 2.3 2.3 焊接

4、溫度場焊接溫度場 T = f ( x , y , z , t ) 實際測量實際測量 數(shù)值計算數(shù)值計算 焊件上某一瞬時各點溫度的分布焊件上某一瞬時各點溫度的分布 焊接溫度場可用空間坐標(biāo)和時間的函數(shù)來描述，即焊接溫度場可用空間坐標(biāo)和時間的函數(shù)來描述，即第二講 焊接熱過程 定義：定義：某瞬時，工件上相同溫度的點，連接一某瞬時，工件上相同溫度的點，連接一起所形成的線或面起所形成的線或面 特征：特征：各等溫線或面彼此存在溫差，不能相交各等溫線或面彼此存在溫差，不能相交等溫線或面等溫線或面第二講 焊接熱過程焊接溫度場焊接溫度場恒定功率恒定功率熱源作用在熱源作用在工件的工件的固定位置固定位置，經(jīng)，經(jīng)過一段時

5、間，工件上過一段時間，工件上就會形成就會形成準(zhǔn)穩(wěn)定溫度準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場場，其等溫線或等溫，其等溫線或等溫面形狀和尺寸不變面形狀和尺寸不變恒定功率恒定功率熱源沿工件熱源沿工件等速移動等速移動時，經(jīng)過一段時間后，時，經(jīng)過一段時間后，工件上也會形成與熱源等速移動的、具有等溫線或等工件上也會形成與熱源等速移動的、具有等溫線或等溫面形狀和尺寸不變的溫面形狀和尺寸不變的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場a) 固定熱源 b) 移動熱源兩種熱源的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場 準(zhǔn)準(zhǔn)穩(wěn)穩(wěn)定定溫溫度度場場第二講 焊接熱過程焊接熱過程焊接過程主要研究焊接過程主要研究焊焊件溫度變化件溫度變化（以（以冷卻冷卻為主），傳熱主要以為主），傳熱主要以熱傳導(dǎo)

6、熱傳導(dǎo)為主，適當(dāng)考為主，適當(dāng)考慮輻射和對流的作用慮輻射和對流的作用 (1) (1) 焊接傳熱的基本形式焊接傳熱的基本形式 第二講 焊接熱過程LOGOq q熱流密度，即沿法線方向單位面積、單位時間流過的熱量熱流密度，即沿法線方向單位面積、單位時間流過的熱量 熱導(dǎo)率（熱導(dǎo)率（J /cm J /cm s s c),c),表示導(dǎo)熱能力表示導(dǎo)熱能力 (2) 焊接熱傳導(dǎo)的基本方程焊接熱傳導(dǎo)的基本方程 傅立葉傅立葉 定律定律 q=q= dT/dndT/dn第二講 焊接熱過程LOGO表示表示某時刻某時刻，物體上，物體上給定點給定點附近溫度分布越不均勻，則該附近溫度分布越不均勻，則該點溫度變化越快。點溫度變化越

7、快。焊接熱傳導(dǎo)焊接熱傳導(dǎo) 方程方程 T/T/ t=at=a T T a： 熱擴(kuò)散率熱擴(kuò)散率(cm/s): 拉普拉斯符號拉普拉斯符號(/ x+ / y+ / z)根據(jù)能量守恒定律：根據(jù)能量守恒定律：第二講 焊接熱過程LOGO (3)(3) 焊接溫度場的一般特征焊接溫度場的一般特征 根據(jù)焊件厚度和尺寸形狀，傳熱方式可簡化為根據(jù)焊件厚度和尺寸形狀，傳熱方式可簡化為1 1 厚大焊件厚大焊件點狀熱源點狀熱源三維溫度場三維溫度場2 2 薄板焊件薄板焊件線狀熱源線狀熱源二維溫度場二維溫度場3 3 細(xì)棒對接細(xì)棒對接面狀熱源面狀熱源一維溫度場一維溫度場第二講 焊接熱過程LOGO第二講 焊接熱過程物理系數(shù)物理系數(shù)

8、= =常數(shù)常數(shù) 1初始溫度均勻為零初始溫度均勻為零 2不考慮相變、散熱和結(jié)晶潛熱不考慮相變、散熱和結(jié)晶潛熱 3焊件幾何尺寸是無限的焊件幾何尺寸是無限的 4(4) (4) 瞬時集中熱源作用下的溫度場瞬時集中熱源作用下的溫度場 熱源作用于焊件形式為點、線、面狀熱源作用于焊件形式為點、線、面狀 5 假設(shè)假設(shè) 第二講 焊接熱過程熱傳導(dǎo)基本方程的特解熱傳導(dǎo)基本方程的特解)4exp()4(22/atratcQnT(r,t)=T(r,t)= r r 給定點到熱源點的坐標(biāo)給定點到熱源點的坐標(biāo) n n 與熱源有關(guān)的常數(shù)與熱源有關(guān)的常數(shù)Q Q 焊件瞬時獲得的熱能焊件瞬時獲得的熱能點點 n=3n=3線線 n=2n=

9、2面面 n=1n=1第二講 焊接熱過程LOGO第二講 焊接熱過程LOGOTttT 1 厚厚 板板 傳熱最快傳熱最快 2 薄薄 板板 次之次之 3 細(xì)細(xì) 棒棒 傳熱最慢傳熱最慢 1 2 3 X=0； t- r=0； t- 1 R=0； t-3/2 熱源的作用點熱源的作用點 第二講 焊接熱過程LOGO熱源的性質(zhì)熱源的性質(zhì) 1焊接規(guī)范焊接規(guī)范 2被焊金屬的熱物理性質(zhì)被焊金屬的熱物理性質(zhì) 3焊件的形態(tài)焊件的形態(tài) 4熱源的作用時間和移動速度熱源的作用時間和移動速度 55 5 影響焊接溫度場的因素影響焊接溫度場的因素 焊接方法焊接方法 焊接線能量焊接線能量 導(dǎo)熱性能導(dǎo)熱性能 尺寸，厚度尺寸，厚度 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)

10、穩(wěn)態(tài) 第二講 焊接熱過程焊接規(guī)范對溫度場影響焊接規(guī)范對溫度場影響u焊速焊速u能量能量u焊接線能量焊接線能量q/vq/v IU/vIU/v第二講 焊接熱過程被被焊焊金金屬屬熱熱物物理理性性能能影影響響第二講 焊接熱過程被焊金屬的熱物理性質(zhì)被焊金屬的熱物理性質(zhì)熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率( () )：表示金屬的導(dǎo)熱能力，物理意義即沿法線方向在單位表示金屬的導(dǎo)熱能力，物理意義即沿法線方向在單位時間、單位距離相差時間、單位距離相差11時，經(jīng)過單位面積傳遞的能量。時，經(jīng)過單位面積傳遞的能量。比熱容比熱容(c)(c)： 1g1g物質(zhì)升高物質(zhì)升高11時所需的熱能。時所需的熱能。體積比熱容體積比熱容(c(c) )：單位體積的

11、物質(zhì)升高單位體積的物質(zhì)升高11時所需的熱能。時所需的熱能。熱擴(kuò)散率熱擴(kuò)散率 ( (/ c)：又稱導(dǎo)溫系數(shù)，它是溫度傳遞的速度，等于熱又稱導(dǎo)溫系數(shù)，它是溫度傳遞的速度，等于熱導(dǎo)率與體積比熱容之導(dǎo)率與體積比熱容之比比。比焓比焓 (h)(h)：單位質(zhì)量的物質(zhì)所具有的全部熱能。單位質(zhì)量的物質(zhì)所具有的全部熱能。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) ( () )：表示物體表面?zhèn)鳠岬哪芰?，物理含義是熱表表示物體表面?zhèn)鳠岬哪芰?，物理含義是熱表面與周圍介質(zhì)相差面與周圍介質(zhì)相差11時，單位時間單位面積傳遞的能量。時，單位時間單位面積傳遞的能量。第二講第二講 焊接熱過程焊接熱過程第二講 焊接熱過程焊件的板厚及形狀的影響焊件的板

12、厚及形狀的影響LOGOABCD1002004P=2.7KW,V=0.7m/min024681012141618200500100015002000250030003500溫度 T/ 時間 t/s A(0.05,0,0) B(0.05,0.0025,0) C(0.05,0.005,0) D(0.05,0.01,0)第二講 焊接熱過程表面堆焊和丁字接頭形式溫度場分布表面堆焊和丁字接頭形式溫度場分布第二講第二講 焊接熱過程焊接熱過程LOGO2.4 焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán) 定義：定義：在焊接熱源作用下，焊件在加熱和冷卻過在焊接熱源作用下，焊件在加熱和冷卻過程溫度隨時間的變化程溫度隨時間的變化 1 1 研

13、究意義研究意義 找出最佳的焊接熱循環(huán)找出最佳的焊接熱循環(huán) 用工藝方法改善焊接熱循環(huán)用工藝方法改善焊接熱循環(huán) 預(yù)測焊接應(yīng)力分布、改善熱影響區(qū)組織預(yù)測焊接應(yīng)力分布、改善熱影響區(qū)組織 第二講 焊接熱過程LOGO2 2 焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)焊接熱循環(huán)的主要參數(shù) 加熱速度加熱速度 H峰值溫度峰值溫度 Tmax高溫停留時間高溫停留時間 tH冷卻速度冷卻速度c （或冷卻時間）（或冷卻時間） t t8/58/5; t; t8/38/3; t; t100100第二講 焊接熱過程熱循環(huán)特征熱循環(huán)特征熱循環(huán)曲線熱循環(huán)曲線 工件上某點的溫度隨時間由低到高、升至最大值工件上某點的溫度隨時間由低到高、升至最大值后、又由高

14、到低變化后、又由高到低變化 描述工件上某點溫度隨時間變化關(guān)系的曲線描述工件上某點溫度隨時間變化關(guān)系的曲線第二講 焊接熱過程不同焊接方法的焊接熱循環(huán)不同焊接方法的焊接熱循環(huán)1焊條電弧焊焊條電弧焊 2埋弧焊埋弧焊 3電渣焊電渣焊 第二講 焊接熱過程焊接過程是一個不均勻加焊接過程是一個不均勻加熱和冷卻的過程，造成接熱和冷卻的過程，造成接頭不同部位出現(xiàn)頭不同部位出現(xiàn)不同組織不同組織和性能和性能，同時也會產(chǎn)生復(fù)，同時也會產(chǎn)生復(fù)雜的雜的應(yīng)力與變形應(yīng)力與變形不同位置經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同位置經(jīng)歷的焊接熱循環(huán) 焊縫焊縫兩側(cè)距離不同的點兩側(cè)距離不同的點，焊接熱循環(huán)不同焊接熱循環(huán)不同第二講 焊接熱過程LOGO第二講

15、 焊接熱過程焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)u 加熱速度是描述溫度上升快慢程度的參量加熱速度是描述溫度上升快慢程度的參量u對于有相變的材料，加熱速度會影響相變溫度和相變對于有相變的材料，加熱速度會影響相變溫度和相變后均質(zhì)化程度，從而影響熱影響區(qū)的組織和性能后均質(zhì)化程度，從而影響熱影響區(qū)的組織和性能加熱速度加熱速度第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)定義：峰值溫度也稱最高溫度，是熱循環(huán)曲線上定義：峰值溫度也稱最高溫度，是熱循環(huán)曲線上 最高點對應(yīng)溫度最高點對應(yīng)溫度 在工件上，不同部位具有不同的峰值溫度在工件上，不同部位具有不同的峰值溫度 焊縫部位的峰值溫

16、度高于液相線溫度，而熱影焊縫部位的峰值溫度高于液相線溫度，而熱影 響區(qū)部位的峰值溫度低于固相線溫度響區(qū)部位的峰值溫度低于固相線溫度 在熱影響區(qū)中，峰值溫度越高，晶粒長大傾向在熱影響區(qū)中，峰值溫度越高，晶粒長大傾向 越嚴(yán)越嚴(yán)重重 峰值溫度峰值溫度第二講 焊接熱過程高高溫溫停停留留時時間間焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)定義：定義：高溫停留時間一般是指在某一較高參考高溫停留時間一般是指在某一較高參考溫度以上的停留時間溫度以上的停留時間在研究相變材料的焊接熱循環(huán)，一般將相變溫在研究相變材料的焊接熱循環(huán)，一般將相變溫度定為參考溫度，這樣高溫停留時間就是相變溫度定為參考溫度，這樣高溫停留時間就是相變溫度以上的停留時

17、間度以上的停留時間在熱循環(huán)曲線上，高溫停留時間在熱循環(huán)曲線上，高溫停留時間tH由加熱過程由加熱過程停留時間停留時間tH1和冷卻過程停留時間和冷卻過程停留時間tH2組成，即組成，即tH= tH1+ tH2對于熱影響區(qū)，高溫停留時間長有利于均質(zhì)化對于熱影響區(qū)，高溫停留時間長有利于均質(zhì)化，但會造成晶粒長大傾向，但會造成晶粒長大傾向第二講 焊接熱過程焊接熱循環(huán)焊接熱循環(huán)冷冷卻卻速速度度或或冷冷卻卻時時間間定義：定義：冷卻速度是描述工件溫度降低快慢程度的參量。在冷卻速度是描述工件溫度降低快慢程度的參量。在焊接過程中，冷卻速度就是熱循曲線下降段的斜率焊接過程中，冷卻速度就是熱循曲線下降段的斜率從從800冷

18、卻到冷卻到500所經(jīng)歷的時間稱為所經(jīng)歷的時間稱為t8/5，從，從800冷卻冷卻到到300所經(jīng)歷的時間稱為所經(jīng)歷的時間稱為t8/3，而從峰值溫度冷卻到，而從峰值溫度冷卻到100所所經(jīng)歷的時間稱為經(jīng)歷的時間稱為t100冷卻速度或時間對熱影響區(qū)組織和性能有顯著的影響?？乩鋮s速度或時間對熱影響區(qū)組織和性能有顯著的影響?？刂茻嵊绊憛^(qū)的組織和性能就是控制熱影響區(qū)的冷速或時間制熱影響區(qū)的組織和性能就是控制熱影響區(qū)的冷速或時間第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程uBs Bs 貝氏體開始形成溫度貝氏體開始形成溫度uMs Ms 馬氏體開始形成溫度馬氏體開始形成溫度uAr1 Ar1 珠光體開始形成溫度珠光體開始形成

19、溫度uAr3 Ar3 魏氏組織開始形成溫度魏氏組織開始形成溫度第二講 焊接熱過程 焊接熱影響區(qū)焊接熱影響區(qū)第二講 焊接熱過程 定義：定義： 在焊接熱循環(huán)作用在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫兩側(cè)處于下，焊縫兩側(cè)處于固態(tài)的母材發(fā)生明固態(tài)的母材發(fā)生明顯的組織和性能變顯的組織和性能變化的區(qū)域化的區(qū)域第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程長段多層焊接熱循環(huán)長段多層焊接熱循環(huán) 長段焊道差不多在1m以上，這樣焊完第一層，再焊第二層時，第一層焊縫基本上冷卻到100-200以下第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程短段多層焊接熱循環(huán)短段多層焊接熱循環(huán)第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程1.1.焊件尺寸形狀

20、的影響焊件尺寸形狀的影響第二講 焊接熱過程接接頭頭形形式式的的影影響響第二講 焊接熱過程接接頭頭形形式式的的影影響響第二講 焊接熱過程3.3.焊道長度的影響焊道長度的影響第二講 焊接熱過程預(yù)熱溫度的影響預(yù)熱溫度的影響第二講 焊接熱過程LOGO影響焊接熱循環(huán)的因素影響焊接熱循環(huán)的因素 焊接方法焊接方法 1焊接規(guī)范焊接規(guī)范 2焊件尺寸焊件尺寸 3物理性能物理性能 4第二講 焊接熱過程表0-4 單層電弧焊低合金鋼時熱影響區(qū)的熱循環(huán)參數(shù) 900以上的停留時間/s 冷卻速度/ (/s) 板厚/ mm 焊接方法 熱輸入/ (J/cm) 900時的加熱速度/ (/s) 加熱 冷卻 900 540 備注 1

21、鎢極氬弧焊 840 1700 0.4 1.2 240 60 對接不開坡口 2 鎢極氬弧焊 1680 1200 0.6 1.8 120 30 對接不開坡口 3 埋弧焊 3780 700 2.0 5.5 54 12 對接不開坡口有焊劑墊 5 埋弧焊 7140 400 2.5 7 40 9 對接不開坡口有焊劑墊 10 埋弧焊 19320 200 4.0 13 22 5 V形坡口對接有焊劑墊 15 埋弧焊 42000 100 9.0 22 9 2 V形坡口對接有焊劑墊 25 埋弧焊 105000 60 25.0 75 5 1 V形坡口對接有焊劑墊 焊接熱循環(huán)受到焊接熱循環(huán)受到焊接方法、焊接工藝參數(shù)、母

22、材種焊接方法、焊接工藝參數(shù)、母材種類、板材厚度以及周圍介質(zhì)等類、板材厚度以及周圍介質(zhì)等因素的影響，因而熱因素的影響，因而熱循環(huán)參數(shù)在不同焊接條件下是不同的循環(huán)參數(shù)在不同焊接條件下是不同的 熱循熱循環(huán)的環(huán)的影響影響因素因素第二講 焊接熱過程2.5 焊接化學(xué)冶金過程焊接化學(xué)冶金過程第二講 焊接熱過程2.5.1 焊接化學(xué)冶金的特點焊接化學(xué)冶金的特點u焊接時金屬的保護(hù)焊接時金屬的保護(hù)焊條藥皮或者焊絲藥芯（手工電弧焊等）焊條藥皮或者焊絲藥芯（手工電弧焊等）焊劑（埋弧焊）焊劑（埋弧焊）惰性氣體惰性氣體 （MIG焊）焊）真空條件（電子束焊真空條件（電子束焊)第二講 焊接熱過程u焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)（焊條電弧焊

23、）焊接化學(xué)冶金反應(yīng)區(qū)（焊條電弧焊）藥皮反應(yīng)區(qū)藥皮反應(yīng)區(qū)l 當(dāng)藥皮加熱溫度超過當(dāng)藥皮加熱溫度超過100時，水份開始蒸發(fā)時，水份開始蒸發(fā)l 200-250，如果藥皮中含有有機(jī)物（如木粉、纖維，如果藥皮中含有有機(jī)物（如木粉、纖維素、淀粉），則開始分解，析出素、淀粉），則開始分解，析出CO、H2l 300-400，藥皮內(nèi)一些結(jié)晶水和化合水開始蒸發(fā)，藥皮內(nèi)一些結(jié)晶水和化合水開始蒸發(fā)l 溫度繼續(xù)升高，藥皮中碳酸鹽和高價氧化物發(fā)生分解溫度繼續(xù)升高，藥皮中碳酸鹽和高價氧化物發(fā)生分解第二講 焊接熱過程熔滴反應(yīng)區(qū)熔滴反應(yīng)區(qū)l 溫度高，如電弧焊：熔滴平均溫度溫度高，如電弧焊：熔滴平均溫度1800-2400l 熔滴金

24、屬與氣體和熔渣接觸面積極大熔滴金屬與氣體和熔渣接觸面積極大l 各相之間反應(yīng)時間短：熔滴在焊條端部停留時間僅各相之間反應(yīng)時間短：熔滴在焊條端部停留時間僅0.01-0.1sl 熔滴金屬和熔渣之間發(fā)生強(qiáng)烈混合熔滴金屬和熔渣之間發(fā)生強(qiáng)烈混合第二講 焊接熱過程熔池反應(yīng)區(qū)熔池反應(yīng)區(qū)l 熔池溫度比較低（熔池溫度比較低（1600- 1800）l 比表面積比較小比表面積比較小l 反應(yīng)時間較長（幾秒至幾十秒）反應(yīng)時間較長（幾秒至幾十秒）l 溫度分布不均勻溫度分布不均勻2.5.2 焊接區(qū)內(nèi)的氣體焊接區(qū)內(nèi)的氣體1. 氣體的種類和來源氣體的種類和來源惰性氣體、惰性氣體、N2、H2、O2、H2O、CO2、各種蒸、各種蒸氣

25、、分解和電離的產(chǎn)物氣、分解和電離的產(chǎn)物焊接材料、母材和環(huán)境氣氛焊接材料、母材和環(huán)境氣氛氣體的氣體的種類種類物質(zhì)來源物質(zhì)來源第二講 焊接熱過程對焊接質(zhì)量有重要影響對焊接質(zhì)量有重要影響: N2、H2、O2、H2O和和CO22. 氣體的分解和氣相的組分氣體的分解和氣相的組分氣氣體體的的分分解解在焊接電弧的高溫作用下，氣體將發(fā)生分解在焊接電弧的高溫作用下，氣體將發(fā)生分解第二講 焊接熱過程 雙原子氣體的分解度與溫度的關(guān)系（p0 = 101kPa）氣氣體體的的分分解解 當(dāng)焊接溫度為當(dāng)焊接溫度為5000K時，雙原子氣體時，雙原子氣體H2和和O2的分解度很大，絕大部的分解度很大，絕大部分以原子狀態(tài)存在分以原子

26、狀態(tài)存在 N2的分解度很小，的分解度很小，基本上以分子狀態(tài)存在基本上以分子狀態(tài)存在第二講 焊接熱過程 多原子氣體的分解度與溫度的關(guān)系 在在4000K4000K時，多原子氣時，多原子氣體體COCO2 2的分解度很大，生成了的分解度很大，生成了COCO和和O O2 2，增強(qiáng)氣相氧化性，增強(qiáng)氣相氧化性 H H2 2O O分解的產(chǎn)物有分解的產(chǎn)物有H H2 2、O O2 2、H H和和O O等，增強(qiáng)氣相氧化性和等，增強(qiáng)氣相氧化性和氫分壓氫分壓一一. .焊接區(qū)內(nèi)的氣體焊接區(qū)內(nèi)的氣體氣氣體體的的分分解解 多原子氣體分解產(chǎn)物，在高多原子氣體分解產(chǎn)物，在高溫下還可進(jìn)一步分解和電離溫下還可進(jìn)一步分解和電離。第二講

27、 焊接熱過程第二講 焊接熱過程3. 主要氣體對金屬的作用主要氣體對金屬的作用氮對金屬的作用氮對金屬的作用氫對金屬的作用氫對金屬的作用氧對金屬的作用氧對金屬的作用第二講 焊接熱過程（2）氮對金屬的作用）氮對金屬的作用（來源：空氣等）（來源：空氣等） N2在金屬中的溶解在金屬中的溶解 N2對焊接質(zhì)量影響對焊接質(zhì)量影響 控制措施控制措施 氮和氫在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系（p(N2)+p(金屬) = 101kPa, p(H2)+p(金屬) = 101kPa）氮氮的的溶溶解解二二. .氣體與金屬的作用氣體與金屬的作用 氮在液態(tài)鐵中溶解度隨氮在液態(tài)鐵中溶解度隨溫度升高而增大，在溫度溫度升高而增大，在溫度2

28、200時達(dá)到時達(dá)到最大值最大值 繼續(xù)繼續(xù)升溫升溫后，金屬蒸氣后，金屬蒸氣增加，使氣相中氮的分壓減增加，使氣相中氮的分壓減小，導(dǎo)致氮的溶解度急劇降小，導(dǎo)致氮的溶解度急劇降低低 當(dāng)溫度達(dá)到鐵的沸點當(dāng)溫度達(dá)到鐵的沸點（2750）時，氮的溶解度）時，氮的溶解度降至為零降至為零第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程 N2對焊接質(zhì)量影響對焊接質(zhì)量影響 以過飽和方式存在固溶體或者以過飽和方式存在固溶體或者Fe4N形式存在形式存在l 容易導(dǎo)致焊縫金屬強(qiáng)度和硬度升高容易導(dǎo)致焊縫金屬強(qiáng)度和硬度升高l 塑性和韌性下降，尤其低溫韌性塑性和韌性下降，尤其低溫韌性 第二講 焊接熱過程控制措施控制措施l 加強(qiáng)對焊接區(qū)的保護(hù)加

29、強(qiáng)對焊接區(qū)的保護(hù)l 選用合適的焊接參數(shù)選用合適的焊接參數(shù)：增加電弧電壓，保護(hù)變壞；增加：增加電弧電壓，保護(hù)變壞；增加焊接電流，熔滴過渡頻率加快，氮與熔滴作用時間短，焊接電流，熔滴過渡頻率加快，氮與熔滴作用時間短，焊縫金屬含氮量降低焊縫金屬含氮量降低l 增加合金元素增加合金元素： 焊絲和藥皮中焊絲和藥皮中C（碳氧化為氣體，降低氮的分壓；（碳氧化為氣體，降低氮的分壓；碳氧化引起熔池沸騰，有利于氮逸出碳氧化引起熔池沸騰，有利于氮逸出)。 Ti、Al、Zr、稀土元素：形成氮化物，形成熔渣、稀土元素：形成氮化物，形成熔渣 第二講 焊接熱過程（2）氫對金屬的作用）氫對金屬的作用（來源：水份、鐵銹、油污等）

30、（來源：水份、鐵銹、油污等） H2在金屬中的溶解在金屬中的溶解 H2對焊接質(zhì)量影響對焊接質(zhì)量影響 控制措施控制措施 氫在鐵中的溶解度在氫在鐵中的溶解度在2400時最大。繼續(xù)升溫后，時最大。繼續(xù)升溫后，由于金屬蒸氣壓劇增，溶解由于金屬蒸氣壓劇增，溶解度迅速降低，直至為零度迅速降低，直至為零H H2 2的的溶溶解解氫在鐵中的溶解度與溫度的關(guān)系p(H2)+p(金屬) = 101kPa）第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程 H2在金屬中的溶解在金屬中的溶解 （與組織有關(guān)）（與組織有關(guān)） 在面心立方晶格的奧氏體鋼中溶解度，比體心立方晶在面心立方晶格的奧氏體鋼中溶解度，比體心立方晶格中的鐵素體格中的鐵素體

31、 珠光體中的溶解度大珠光體中的溶解度大 H2對焊接質(zhì)量影響對焊接質(zhì)量影響l 暫態(tài)現(xiàn)象（氫脆和白點，加熱氫氣逸出便可消除）暫態(tài)現(xiàn)象（氫脆和白點，加熱氫氣逸出便可消除）l 永久現(xiàn)象（氣孔和冷裂紋）永久現(xiàn)象（氣孔和冷裂紋） (a)(a)氫脆氫脆 氫脆氫脆：指氫在室溫附近使鋼的塑性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象：指氫在室溫附近使鋼的塑性嚴(yán)重下降的現(xiàn)象 含氫量高的鐵素體焊縫，氫脆現(xiàn)象明顯，但焊縫強(qiáng)度幾乎含氫量高的鐵素體焊縫，氫脆現(xiàn)象明顯，但焊縫強(qiáng)度幾乎不受影響不受影響 焊縫含氫量越高，金屬晶格缺陷越多，脆化傾向越大焊縫含氫量越高，金屬晶格缺陷越多，脆化傾向越大 第二講 焊接熱過程(b)(b)白點白點 白點又稱魚眼白點又

32、稱魚眼，是指含氫量高的碳鋼或低合金鋼焊縫，在，是指含氫量高的碳鋼或低合金鋼焊縫，在其拉伸或彎曲試樣的斷面上，出現(xiàn)的銀白色圓形局部脆斷點其拉伸或彎曲試樣的斷面上，出現(xiàn)的銀白色圓形局部脆斷點 焊縫含氫量越高，出現(xiàn)白點的傾向越大，對焊縫進(jìn)行焊后焊縫含氫量越高，出現(xiàn)白點的傾向越大，對焊縫進(jìn)行焊后脫氫處理，可消除白點傾向脫氫處理，可消除白點傾向 多數(shù)情況下，白點的中心有小夾雜物或氣孔，其周圍為韌多數(shù)情況下，白點的中心有小夾雜物或氣孔，其周圍為韌性斷口，白點直徑一般為性斷口，白點直徑一般為0.53mm第二講 焊接熱過程 (c)(c)氣孔氣孔 (d)(d)延遲裂紋延遲裂紋 氫在液態(tài)金屬中遠(yuǎn)高于在固態(tài)金屬中的

33、溶解度，當(dāng)液態(tài)金氫在液態(tài)金屬中遠(yuǎn)高于在固態(tài)金屬中的溶解度，當(dāng)液態(tài)金屬凝固時，氫因脫溶析出，形成不溶于液態(tài)金屬的分子氫，并屬凝固時，氫因脫溶析出，形成不溶于液態(tài)金屬的分子氫，并聚集成氣泡聚集成氣泡 當(dāng)氣泡逸出速度小于熔池的結(jié)晶速度時，氣泡將殘留在焊當(dāng)氣泡逸出速度小于熔池的結(jié)晶速度時，氣泡將殘留在焊縫中，形成氣孔，從而降低焊縫性能縫中，形成氣孔，從而降低焊縫性能 延遲裂紋是焊接結(jié)束之后，經(jīng)過一段時間才出現(xiàn)的裂紋，延遲裂紋是焊接結(jié)束之后，經(jīng)過一段時間才出現(xiàn)的裂紋，而氫是促使產(chǎn)生這種裂紋的主要因素之一而氫是促使產(chǎn)生這種裂紋的主要因素之一第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程控制措施控制措施l 限制焊接材

34、料中含氫量限制焊接材料中含氫量：主要為結(jié)晶水、吸附水、化：主要為結(jié)晶水、吸附水、化合水合水l 清除焊絲和焊件表面清除焊絲和焊件表面上的雜質(zhì)（鐵銹、油污等）上的雜質(zhì)（鐵銹、油污等）l 冶金處理冶金處理：在低氫型焊條中加入：在低氫型焊條中加入CaF2 等氟化物，反應(yīng)等氟化物，反應(yīng)成成HF，去氫；，去氫； 增加熔池中含氧量及氣相氧化性，與增加熔池中含氧量及氣相氧化性，與H反應(yīng)形成反應(yīng)形成OH，從而去氫，從而去氫l 控制焊接參數(shù)控制焊接參數(shù)：焊條電弧焊時，電流增大導(dǎo)致含氫量：焊條電弧焊時，電流增大導(dǎo)致含氫量增大，電弧電壓增大，則相反增大，電弧電壓增大，則相反l 焊后去氫處理焊后去氫處理：加熱促使氫擴(kuò)散

35、外逸：加熱促使氫擴(kuò)散外逸 第二講 焊接熱過程（3）氧對金屬的作用）氧對金屬的作用（主要來源：焊接材料、水份、鐵銹等）（主要來源：焊接材料、水份、鐵銹等） 氧在金屬中的溶解氧在金屬中的溶解 氧對焊接質(zhì)量影響氧對焊接質(zhì)量影響 控制措施控制措施 氧在液態(tài)鐵中溶解度與溫度的關(guān)系氧在液態(tài)鐵中溶解度與溫度的關(guān)系二二. .氣體與金屬的作用氣體與金屬的作用 在液態(tài)鐵中，氧是以原子狀態(tài)和在液態(tài)鐵中，氧是以原子狀態(tài)和FeOFeO的形式溶解的形式溶解氧氧的的溶溶解解第二講 焊接熱過程第二講 焊接熱過程控制措施控制措施l純化焊接材料：采用惰性氣體，低氧或者無氧焊劑純化焊接材料：采用惰性氣體，低氧或者無氧焊劑，真空等，

36、真空等l控制焊接參數(shù)：增加電弧電壓，增加含氧量（采用控制焊接參數(shù)：增加電弧電壓，增加含氧量（采用短弧焊），此外，電流的種類和極性也有影響短弧焊），此外，電流的種類和極性也有影響l脫氧處理脫氧處理：先期脫氧先期脫氧、沉淀脫氧沉淀脫氧、擴(kuò)散脫氧擴(kuò)散脫氧 2.2.焊接熔渣對金屬的氧化焊接熔渣對金屬的氧化n置換氧置換氧化化 被焊金屬與其它金屬或非金屬的氧化被焊金屬與其它金屬或非金屬的氧化物發(fā)生置換反應(yīng)而導(dǎo)致的氧化物發(fā)生置換反應(yīng)而導(dǎo)致的氧化低碳鋼焊絲配合高硅高錳焊劑進(jìn)行埋弧焊：低碳鋼焊絲配合高硅高錳焊劑進(jìn)行埋弧焊：lg KMn = lg w(FeO)wMn/w(MnO) = -6600/T+3. 16

37、(SiO2) + 2 Fe = 2 (FeO) + Si (MnO) + Fe = (FeO) + Mn lg KSi = lg w2(FeO)wSi/w(SiO2) = -13460/T + 6.04 冶冶金金反反應(yīng)應(yīng)及及結(jié)結(jié)果果第二講 焊接熱過程 L = w(FeO)/wFeOn擴(kuò)散氧化擴(kuò)散氧化分分配配系系數(shù)數(shù)擴(kuò)散擴(kuò)散氧化氧化 指熔渣中氧化物，通過擴(kuò)散進(jìn)入被焊金屬，指熔渣中氧化物，通過擴(kuò)散進(jìn)入被焊金屬，而使焊縫增氧而使焊縫增氧 FeO既溶于渣中，又溶于液態(tài)鐵中。在一定溫度既溶于渣中，又溶于液態(tài)鐵中。在一定溫度下平衡時，下平衡時，F(xiàn)eO在這兩相中的含量由分配定律所決定在這兩相中的含量由分配定

38、律所決定L FeO在熔渣和液態(tài)鐵中的分配系數(shù)在熔渣和液態(tài)鐵中的分配系數(shù)w(FeO) FeO在熔渣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在熔渣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wFeO FeO在液態(tài)鐵中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在液態(tài)鐵中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)第二講 焊接熱過程 2n Me + m O2 = 2 MenOm n Me + m CO2 = MenOm + m CO 在焊條電弧焊中，藥皮反應(yīng)區(qū)內(nèi)脫氧劑與高在焊條電弧焊中，藥皮反應(yīng)區(qū)內(nèi)脫氧劑與高價氧化物和碳酸鹽分解出的價氧化物和碳酸鹽分解出的O2和和CO2起反應(yīng)，從起反應(yīng)，從而降低電弧氣氛氧化性的脫氧方式而降低電弧氣氛氧化性的脫氧方式脫脫氧氧反反應(yīng)應(yīng)概念概念2. 先期脫氧先期脫氧三三. .焊縫金屬的脫氧焊縫金屬

39、的脫氧 若脫氧劑用若脫氧劑用Me表示，脫氧產(chǎn)物用表示，脫氧產(chǎn)物用MenOm表示，則先表示，則先期脫氧的冶金反應(yīng)為期脫氧的冶金反應(yīng)為第二講 焊接熱過程 利用溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑，將被焊利用溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑，將被焊金屬及其合金從其氧化物中還原出來，并使脫金屬及其合金從其氧化物中還原出來，并使脫氧產(chǎn)物浮到熔渣中去的脫氧方式氧產(chǎn)物浮到熔渣中去的脫氧方式概念概念3. 沉淀脫氧沉淀脫氧三三. .焊縫金屬的脫氧焊縫金屬的脫氧第二講 焊接熱過程錳錳的的脫脫氧氧3. 沉淀脫氧沉淀脫氧三三. .焊縫金屬的脫氧焊縫金屬的脫氧 在焊條藥皮中，加入適量的錳鐵或在焊絲中加入在焊條藥皮中，加入適量的錳鐵或在焊絲

40、中加入較多的錳作為脫氧劑，可與較多的錳作為脫氧劑，可與FeO進(jìn)行如下的脫氧反應(yīng)進(jìn)行如下的脫氧反應(yīng)FeO + Mn = (MnO) + Fe第二講 焊接熱過程 指被焊金屬的氧化物通過擴(kuò)散，從液態(tài)金屬進(jìn)入指被焊金屬的氧化物通過擴(kuò)散，從液態(tài)金屬進(jìn)入熔渣，從而降低焊縫含氧量，一種脫氧方式熔渣，從而降低焊縫含氧量，一種脫氧方式概念概念 在在液態(tài)金屬與熔渣的界面液態(tài)金屬與熔渣的界面上上4. 擴(kuò)散脫氧擴(kuò)散脫氧第二講 焊接熱過程位置位置第二講 焊接熱過程2.5.5 硫、磷對金屬的作用硫、磷對金屬的作用 硫和磷：引起熱脆和冷脆硫和磷：引起熱脆和冷脆 熱脆熱脆主要由于主要由于S元素易于形成元素易于形成FeS， 而

41、而FeS容易在晶界出現(xiàn)，當(dāng)容易在晶界出現(xiàn)，當(dāng)其熔點低于熱加工溫度其熔點低于熱加工溫度，在熱加工過程中晶界在熱加工過程中晶界強(qiáng)度強(qiáng)度下降下降， 導(dǎo)致開裂導(dǎo)致開裂 冷脆冷脆：導(dǎo)致沖擊韌性下降的現(xiàn)象：導(dǎo)致沖擊韌性下降的現(xiàn)象 脫硫：脫硫：主要是錳，熔渣中堿性金屬氧化物（主要是錳，熔渣中堿性金屬氧化物（MnO、CaO）等）等 脫磷：脫磷：先氧化成先氧化成P2O5, 然后與熔渣反應(yīng)形成磷酸鹽然后與熔渣反應(yīng)形成磷酸鹽 另外，在堿性焊條中加入另外，在堿性焊條中加入CaF2,可以降低熔渣中可以降低熔渣中P2O5的活性，的活性，進(jìn)而降低渣的粘度，有利于物質(zhì)擴(kuò)散，也有利于脫磷進(jìn)而降低渣的粘度，有利于物質(zhì)擴(kuò)散，也有利

42、于脫磷 使焊縫產(chǎn)生硫化物夾雜，增大焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶使焊縫產(chǎn)生硫化物夾雜，增大焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋傾向，降低焊縫沖擊韌性和耐蝕性能裂紋傾向，降低焊縫沖擊韌性和耐蝕性能 硫與鐵可結(jié)合成硫與鐵可結(jié)合成FeS，F(xiàn)eS與液態(tài)鐵無限互溶，而與液態(tài)鐵無限互溶，而在固態(tài)鐵中溶解度很小，熔池結(jié)晶時易形成夾雜在固態(tài)鐵中溶解度很小，熔池結(jié)晶時易形成夾雜1. 硫的危害及成因硫的危害及成因危害危害成因成因 FeS與與Fe形成熔點為形成熔點為988的低熔共晶的低熔共晶Fe+FeS，與，與FeO形成熔點為形成熔點為940 的低熔共晶的低熔共晶 FeO+FeS，熔池結(jié)晶時，熔池結(jié)晶時會在晶界處形成低熔共晶薄膜，增大結(jié)晶裂紋傾向會在晶界處形成低熔共晶薄膜，增大結(jié)晶裂紋傾向 低熔共晶以片狀或鏈狀的形態(tài)分布于晶界，嚴(yán)重低熔共晶以片狀或鏈狀的形態(tài)